建筑施工机械10土方机械

1123410 土方机械与桩工机械土方机械与桩工机械目目 录录 2 【知识目标】【知识目标】 掌握推土机、挖掘机、装载机的类型、特点和工作过程；了解推土机、挖掘机、装载机的构造、工作原理和使用场合。 【能力目标】【能力目标】 能够在土方工程施工过程中选择采用推土机、挖掘机、装载机；能组织土方机械施工；能计算机械生产率。10 土方机械土方机械 3 土方工程施工过程中使用的机械称为土方机械。土方工程的施工过程主要有土方开挖、运输、填筑和压实等。 土方施工机械主要有铲土运输机械、挖掘机械、压实机械、水力土方机械和准备作业机械等。土方机械根据行走系统结构可分为轮胎式和履带式两种。土方机械一般由动力装置（大部分为柴油机）、传动装置 、行走装置和工作装置等组成。土方工程施工中主要根据作业对象和作业要求选用土方机械。10 土方机械土方机械 4 1铲土运输机械铲土运输机械 铲土运输机械主要用于铲运、推运或平整场地。根据用途又分为推土机、铲运机、装载机、平地机等。选用铲土运输机械应考虑运料距离。例如，推土机沿地面推运物料时适应于3060m的距离；自行式铲运机能自装、自运、自卸地面物料，适应于1802000m的长运距；单斗装载机与自卸汽车配套使用时适于300m以上的运距；平地机适于大面积场地的平整作业等。10 土方机械土方机械 5 2挖掘机械挖掘机械 挖掘机械用于挖掘高于或低于承机面的物料（包括土壤、煤、泥沙及经过预松后的岩土和矿石等），并将其装入运输车辆或卸至堆料场。它又分为单斗挖掘机和多斗挖掘机两类。 3压实机械压实机械 压实机械利用静压、振动或夯击原理，密实地基土壤和道路铺砌层，使其密度增大，承载能力提高。常用的压实机械有羊足碾、光轮压路机、轮胎压路机、振动压路机、蛙式夯和内燃打夯机等。 10 土方机械土方机械 6 4水力土方机械水力土方机械 水力土方机械是利用高速水射流冲击土壤或岩体进行开挖，然后将泥浆（或岩浆）输送到指定地点的土方机械。常用的有水泵、水枪、吸泥泵等。它能综合完成挖掘、输送、填筑等作业，利用刀形或斗形工作装置切削土壤，效率较高，但消耗水电量大，应用有局限性。 5准备作业机械准备作业机械 准备作业机械包括松土机和除荆机等。10 土方机械土方机械 710.1 挖掘机挖掘机10.1 挖掘机挖掘机 8 挖掘机有循环作业式和连续作业式两大类，即单斗挖掘机和多斗挖掘机。 单斗挖掘机是土方工程中的一种主要施工机械，它可以单独进行基坑的挖掘作业或配合汽车等运输工具进行远距离的土的运移，目前已被广泛应用于建筑施工、交通运输、水利电力、矿山采掘以及军事工程等。10.1 挖掘机挖掘机 9 单斗挖掘机的种类很多，按传动方式不同分为机械式和液压式两类。在中、小型单斗挖掘机中主要采用液压式。 按工作装置的不同，液压单斗挖掘机有反铲、正铲、抓铲和拉铲四种主要形式。反铲用于挖掘停机面以下的土壤，其工作灵活，使用较多，是液压挖掘机的一种主要工作装置形式。正铲主要用于挖掘停机面以上的土壤，大面积开挖时采用此形式。抓铲则主要用于小面积深挖，如挖井、深坑等。拉铲主要用于大面积开挖。 10.1.1 单斗挖掘机的种类和特点单斗挖掘机的种类和特点10.1 挖掘机挖掘机 10 以上几种工作装置的主要形式如图10.6所示。图图6.6 单斗挖掘机工作简图单斗挖掘机工作简图（a）正铲挖掘机；(b)反铲挖掘机；(c)拉铲挖掘机；(d)抓铲挖掘机 10.1 挖掘机挖掘机 11 按行走机构的不同，液压挖掘机可分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式和拖式等形式。履带式具有良好的通过性，轮胎式具有良好的越野性，而后三种直接采用汽车或拖拉机底盘，结构简单、成本低。 按动力装置的不同，挖掘机可分为电驱动、内燃机驱动和复合驱动等形式。单斗液压挖掘机采用内燃机驱动。6.3 挖掘机挖掘机 12 单斗液压挖掘机主要由工作装置、回转平台和行走机构三大部分组成，工作装置又包括动臂、斗杆、铲斗以及它们的油缸，如图6.7所示。发动机（常用柴油机）驱动两个液压泵，把高压油输入到两个换向阀组。操纵换向阀，将高压油送往有关执行元件，驱动相应机构进行工作。 图10.7所示为液压挖掘机最常用的反铲工作装置工作情况。 10.1.2 单斗液压挖掘机的基本组成及传动单斗液压挖掘机的基本组成及传动10.1 挖掘机挖掘机 13图图10.7 液压挖掘液压挖掘机基本组成及机基本组成及传动示意图传动示意图 1铲斗；2斗杆；3动臂；4连杆；5，6，7油缸；挖掘装置；回转装置；行走装置 10.1 挖掘机挖掘机 14 工作时，操纵换向阀，接通回转机构液压马达，使工作装置转到挖掘地点。同时操纵换向阀，使动臂油缸5回缩，动臂下降至铲斗接触工作面。然后再操纵换向阀，使斗杆油缸6和铲斗油缸7伸出，铲斗向下旋转挖掘。斗满后，操纵换向阀，将油缸6和7关闭，动臂油缸5伸出，动臂上升离开工作面，然后操纵换向阀接通回转马达，使铲斗转到卸载地点，再操纵换向阀使油缸6和7回缩，铲斗反转卸土。卸完后再进行第二次循环挖掘工作。10.1 挖掘机挖掘机 15 挖掘机生产率（m3/h）可按下式计算： 式中q铲斗的几何容量，m3； T每一工作循环持续时间，s； K1土的松散系数，取K1=1.11.4；K2铲斗的充盈系数，取K2=0.81.1；K3时间利用系数，取K3=0.70.9。10.1.3 单斗液压挖掘机的生产率单斗液压挖掘机的生产率2313600qK KTKQ（10.4） 10.1 挖掘机挖掘机 1610.2 推土机推土机10.2 推土机推土机 17 推土机是土方工程施工的主要机械之一，它是以履带式拖拉机为基础，经必要的加固改装而成的机械。推土板多用油压操纵。推土机操纵灵活，运转方便，所需工作面较小，行驶速度快，易于转移，能爬30左右的缓坡，因此应用范围较广。推土机适应于开挖I至类土，多用于平整场地、回填土方、开挖深度不大的基坑、堆筑堤坝以及配合挖土机集中土方、修路开道等。图10.1是液压操纵的T2-100型推土机外形图。液压操纵推土机除了可以升降推土板外，还可调整推土板的角度，具有更大的灵活性。10.2 推土机推土机 18图图10.2 T2-100型推土机型推土机 10.2 推土机推土机 19 1. 固定式推土机与万能式推土机固定式推土机与万能式推土机 固定式推土机又称为直铲式推土机，其推土刀的安装垂直于拖拉机纵轴方向并且与顶推架的联接为刚性固定。这种推土机在作业时只能进行正向前进推土，而不能作侧向移土和侧向开挖。 万能式推土机又称为回转式推土机，其推土刀除了可以在水平面向左或向右作倾斜2030安装外，还可在垂直面相对水平面转动09安装。这种推土机既可以在前进推土的同时作侧向移土，还可以根据作业要求进行一定深度的侧向开挖。10.2.1 推土机的类型、特点及应用推土机的类型、特点及应用10.2 推土机推土机 20 2. 机械式推土机与液压式推土机机械式推土机与液压式推土机 机械式推土机又称绳索式推土机，其推土刀的升降是利用装在拖拉机后部的绞盘和钢丝绳、滑轮组来操纵的，推土刀靠自重切入土壤。这种推土机是我国20世纪50年代的老产品，现在工程上很少使用。 液压式推土机即液压操纵式推土机，其推土刀的升降是靠安装在拖拉机前方两侧的双作用油缸来操纵的。这种推土机在作业中可以随时改变推土刀的切入深度。10.2 推土机推土机 21 3. 履带式推土机与轮胎式推土机履带式推土机与轮胎式推土机 履带式推土机的行走装置为履带，是目前使用最普遍的一种推土机。其主要特点是机动性大、动作灵活、爬坡能力强，履带与地面的接触压强小，可在松软、湿地作业。其缺点是行驶时易损坏路面。 轮胎式推土机有的采用专用底盘，也有的以轮胎式拖拉机为基础，经加固改装而成。其特点是行驶速度快、动作灵活、对路面无损坏，广泛用于抢险，修筑港口、道路，构筑军事掩体等工程。其缺点是接地比压大，在泥泞、松软场地作业时易打滑、陷机。10.2 推土机推土机 22 推土机的工作装置主要由推土刀和支持架两部分组成。推土刀分固定式和回转式两种，如图6.2和图10.3所示。 如图10.2所示为固定式推土装置，推土铲刀与主机轴线固定成90角。它由顶推架1、斜撑杆2、铲刀升降油缸3、推土板4和水平撑杆6组成。推杆与推土铲刀铰接成一刚架装在履带架上。 如图10.3所示为回转式推土装置，它通过中间球铰4、斜撑杆5和下撑杆6与推土板3和顶推架1铰接成一个刚架。10.2.2 推土机的工作装置与工作过推土机的工作装置与工作过程程10.2 推土机推土机 23图图10.2 固定式推土装置固定式推土装置1顶推架；2斜撑杆；3铲刀升降油缸；4推土板；5球形铰；6水平撑杆；7销连接；8刀片10.2 推土机推土机 24图图10.3 回转式推土装置回转式推土装置1顶推架；2铲刀升降油缸；3推土板；4中间球铰；5斜撑杆；6下撑杆；7铰接；8刀片 10.2 推土机推土机 25 由于斜撑杆可以根据作业的需要固定在顶推架两边不同位置的耳座上，所以推土铲刀可调节成斜铲。当调节两提升缸为不同长度时，便可调成侧铲。若要改变推土铲刀切削角，只要同时调节左、右斜撑杆的长度就可以实现。10.2 推土机推土机 26 1作业过程作业过程 （1）切土过程在推土机前进的同时推土板放下切入土中，从地表切削的土屑聚集在推土板前。此时推土机采用I档行驶速度。 （2）运土过程铲土过程结束后，推土板在运行中提升到地面高度，将土推运到卸土地点。此时可采用 档的行驶速度，液压操纵系统的换向阀处于浮动状态，一般运距在100m以内。10.2.4 推土机的作业过程和生产率计算推土机的作业过程和生产率计算10.2 推土机推土机 27 （3）卸土过程卸土方法有两种：一种是弃土法，即推土机将土运至卸土处，将推土板提升后返回，卸掉的土壤无一定的堆放要求；另一种是按施工要求分层铺卸土壤，此时推土机将土运至卸土地点后，将推土板提升一定高度，推土机继续前进，土壤即从推土板下方卸掉，然后将推土板略提高一些返回。 （4）返回过程即推土机由卸土地点以最高的速度返回铲土地点。为了缩短空行程时间，在3050 m的运距内，应以最高的倒挡速度退回。10.2 推土机推土机 2810.3 装载机装载机10.3 装载机装载机 29 装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建筑工程的土石方施工机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业。在道路，特别是在高等级公路施工中，装载机常用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。此外它还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它已成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。10.3 装载机装载机 30 对于常用的单斗装载机，可按发动机功率、传动形式、行走机构、装卸方式的不同进行如下分类： 1. 发动机功率发动机功率 （1）功率小于74kW的称为小型装载机； （2）功率为74147kW的称为中型装载机； （3）功率为147515kW的称为大型装载机； （4）功率大于515kW的称为特大型装载机。10.3.1 装载机的种类和特点装载机的种类和特点10.3 装载机装载机 31 2. 传动形式传动形式 （1）液力机械传动冲击振动小，传动件寿命长，操纵方便，车速与外载间可自动调节，一般多在大中型装载机上采用； （2）液力传动可无级调速，操纵方便，但启动性较差，一般仅在小型装载机上采用； （3）电力传动无级调速，工作可靠，维修简单，费用较高，一般在大型装载机上采用。10.3 装载机装载机 32 3. 行走机构行走机构 （1）轮胎式质量轻，速度快，机动灵活，效率高，不易损坏路面，接地比压大，通过性差，应用广泛。 （2）履带式接地比压小，通过性好，重心低，稳定性好，附着力强，牵引力大，比切入力大，速度低，灵活性相对较差，成本高，行走时易损坏路面。10.3 装载机装载机 33 4. 装卸方式装卸方式 （1）前卸式结构简单，工作可靠，视野好，适合于各种作业场地，应用较广； （2）回转式工作装置安装在可回转360的转台上，侧面卸载不需要调头，作业效率高，但结构复杂，质量大，成本高，侧面稳定性较差，适用于较狭小的场地； （3）后卸式前端装、后端卸，作业效率高，作业的安全性欠佳。 装载机代号用“Z”表示，“Z”后面的数字为额定承载力。轮胎式装载机用“ZL”表示。 10.3 装载机装载机 34 单斗装载机的工作装置如图10.8所示。根据铲斗有无托架，其工作装置可分为有托架式和无托架式两种。 有托架式的动臂5和连杆4的前端与铲斗托架3铰接，其后端分别与车架支座铰接。托架上部与铲斗油缸2的缸体铰接，托架下部与铲斗1铰接，铲斗油缸2的活塞杆与铲斗上另一点铰接。托架、动臂、连杆及车架支座组成平行四杆机构。 10.3.3 装载机的工作装置和工作过程装载机的工作装置和工作过程10.3 装载机装载机 35图图10.3 装载机装载机 的工作装置的工作装置（a）有托架式铲斗；（b）无托架式铲斗1铲斗；2铲斗油缸；3铲斗托架；4连杆；5动臂；6动臂油缸；7摇臂 10.3 装载机装载机 36 当动臂提升，铲斗油缸闭锁时，铲斗始终保持平移，斗内物料不会撒落。由于铲斗油缸及铲斗都是直接铰接在托架上，铲斗的转动角大，所以使用灵活。托架结构虽然简单，但因动臂前端装有比较重的托架，因而减少了铲斗的载重量。而无托架式铲斗，当动臂提升时，是通过反转连杆机构以使铲斗中物料不撒落的。无托架式铲斗的结构较有托架式铲斗的结构复杂一些。10.3 装载机装载机 37 装载机用于装卸松散物料时，其作业过程主要由铲装、收斗提升、卸料和空车返回四个工序组成。根据物料种类不同，铲装作业分为一次插入铲装法和配合铲装法两种。一次插入铲装法常用于铲装颗粒状松散的轻物料，它是通过装载机低速直线驶向料堆，插入深度大于铲斗的深度，然后铲斗上翻。这种铲装方法简单，操作容易，但所需功率大。 10.3 装载机装载机 38 若铲装矿石和块状不均匀物料时可采用配合铲装法，即在铲斗插入料堆不大的深度时，配合铲斗间断上翻或动臂间断提升铲装。这种方法使铲斗插入阻力大大减小，所需功率相应减小，可以缩短作业时间。实际作业时，熟练的司机在卸完料驶向料堆的过程中就放斗、变速，使铲斗插入料堆一定深度时即转斗、提臂，使铲斗装满，后退调头，在驶向卸料地点的过程中，提臂至卸料高度，并把物料卸入运输工具等动作是同时连续进行的。10.3 装载机装载机 3910.4 桩工桩工机械机械10.4 桩工机械桩工机械 40 在建筑工地、港口、码头、公路和铁路桥梁以及海底石油开采等工程中，桩基础是最常用的基础形式。桩基础以承载力大、施工周期短、成本低等优点而被广泛应用。在桩基础施工中所采用的各种机械，通称为桩工机械。桩工机械按其工作原理分为冲击式、振动式、静压式和成孔灌注式四类，常用的有柴油打桩机、液压打桩机、振动打桩机、静力压桩机、各种成孔机、连续墙挖槽机以及与桩锤配套使用的各种桩架等。10.4 桩工机械桩工机械 41 桩的类型可分为预制桩和就地灌注桩两大类。预制桩有预应力钢筋混凝土方桩、管桩、钢管桩和H型钢桩等。灌注桩需要在桩位的地层中先做出孔，然后在孔中浇灌混凝土(或在孔内先放置钢筋笼，再浇灌混凝土)形成灌注桩。 预制桩采用打入法、振动法和静压法三种方法施工。所用的机械：打入法用柴油锤、液压锤等；振动法用振动锤；静压法用静力压桩机。将预制桩从地层中拔出的机械称为拔桩机。 灌注桩的成孔方法主要有挤土成孔和取土成孔两种。 10.4 桩工机械桩工机械 42 挤土成孔法用打入法或振动法将一端封闭的钢管沉入土层中，然后拔出钢管即可成孔，它不适用于较大直径的灌注桩，桩径一般不超过500mm。取土成孔可以用冲抓斗、抓斗、成孔机、螺旋钻孔机、回转斗钻孔机和潜水钻机等机械。地下连续墙可以看做成排的灌注桩，它是先在地层中挖成沟槽，再放置钢筋笼，然后浇灌混凝土形成墙体。地下连续墙可以是基础的一部分，或者只作挡土墙或截水墙用。挖槽的机械有双轮滚切成槽机、垂直轴多头钻机、连续墙抓斗挖槽机等。10.4 桩工机械桩工机械 43 筒式柴油锤依靠活塞上下跳动来锤击，其构造如图10.1所示，由锤体、燃料供给系统、冷却系统、起动系统等构成。 10.4.1.1 筒式柴油锤的工作过程筒式柴油锤的工作过程 其工作过程为如下几个阶段（见图10.1）。10.4.1 简式柴油锤简式柴油锤10.4 桩工机械桩工机械 44图图10.4 筒式柴油锤工作原理筒式柴油锤工作原理1汽缸；2上活塞；3下活塞；4燃油泵；5桩帽；6桩 10.4 桩工机械桩工机械 45 1.扫气、喷油扫气、喷油 上活塞在重力作用下降落，清扫汽缸内的废气。当上活塞继续下降触碰油泵的曲臂时，燃油泵就将一定量的燃油注入下活塞。 2.压缩压缩 上活塞继续下降，将吸排气口关闭，汽缸内的空气被压缩，空气的压力和温度升高。 3.冲击冲击 上活塞下降，与下活塞相碰撞产生强大的冲击力使桩下沉，这是使桩下沉的主要作用力。10.4 桩工机械桩工机械 46 4.爆发爆发 在上活塞冲击下活塞的同时，下活塞中的燃油被雾化，雾化的燃油与高温气体混合而燃烧，爆发出很大的压力，一方面使桩再次下沉，同时又使活塞向上跳起。 5.排气排气 上活塞因燃油爆发燃烧产生的压力作用而上升至一定高度时，吸气口和排气口都打开。燃烧过的废气在膨胀压力作用下由吸、排气口排出。当上活塞上升越过油泵的曲臂后，曲臂在弹簧作用下恢复原位，此时吸入一定量的燃油，为下一次喷油做好准备。10.4 桩工机械桩工机械 47 6.吸气吸气 上活塞在惯性作用下继续向上运动，当汽缸内产生负压时，汽缸内又吸入新鲜的空气。 7.降落降落 再次下降，将上活塞的动能全部转化为势能，重复上述过程。 这个过程往复进行，便是筒式柴油锤的工作循环。从中可看出，筒式柴油锤靠活塞的往复运动产生的冲击来进行沉桩，而喷入的柴油即活塞往复运动的能量来源。10.4 桩工机械桩工机械 48 桩架具有悬挂桩锤、吊桩和沉桩的导向作用。 在桩基施工中常用的桩架有两种基本形式：一种是沿轨道行驶的多能桩架；另一种是装在履带底盘上的打桩架。履带底盘式打桩架又可分为悬挂式和三点式两种。 悬挂式履带打桩架悬挂式履带打桩架 此打桩架是以履带起重机为底盘，以起重吊臂作为悬吊桩架之柱，如图10.13所示。10.4.2 桩架的作用与分类桩架的作用与分类10.4 桩工机械桩工机械 49图图10.13 悬挂式悬挂式履带打桩架履带打桩架1打桩锤；2桩帽；3桩；4立柱；5支撑叉；6车体；7吊臂 10.4 桩工机械桩工机械 50 悬挂式的特点是桩架立柱在起重机吊臂端部，拆装都非常方便，桩架拆掉后可作起重机使用。其缺点是纵向需增加配重，横向承载能力较弱，不能打斜桩。10.4 桩工机械桩工机械 51 螺旋钻机成孔是钻的下部有切削刀，切下来的土沿钻杆上的螺旋叶片上升并从地面排出，其作用与麻花钻相似，连续地切土和取土，成孔速度快。螺旋钻孔机在我国北方使用得较多。 螺旋钻孔机包括长螺旋钻孔机（最大钻深可达20m）、短螺旋钻孔机（最大钻深可达5m）、双螺旋钻扩机（钻深可达45m，这种钻机一般用于冻土地带）三种。10.4.3 螺旋钻孔机螺旋钻孔机10.4 桩工机械桩工机械 52 1.长螺旋钻孔机长螺旋钻孔机 如图10.17所示，长螺旋钻孔机整体构造不复杂，成孔效率高，在灌注桩的成孔中应用得较多。长螺旋钻孔机按钻杆结构的不同有整体式和装配式两种，按其行走机构的不同有履带式和汽车式两种。 长螺旋钻孔机常用多能桩架和起重式桩架。在建筑工地上，常用履带式桩架与长螺旋钻具配套，组成履带式长螺旋钻机，使用较为方便。10.4 桩工机械桩工机械 53图图10.17 履带式履带式长螺旋钻孔机长螺旋钻孔机1电动机；2减速器；3钻杆；4钻头；5钻架；6履带式起重机底盘 10.4 桩工机械桩工机械 54 长螺旋钻孔机由电动机1、减速器2、钻杆3和钻头4等组成，整套钻孔机通过滑车组悬挂在桩架上，钻孔机的升架、就位由桩架控制。钻具上的电机适合于在满载的情况下运转，同时具有较好的过载保护装置。减速器大都采用立式行星减速器。为保证钻杆钻进时的稳定性和初钻时的准确性，在钻杆长度的1/2处安装有中间稳杆器，它用钢丝绳悬挂在钻孔器的动力头上，并随动力头沿桩架立柱上下移动。 在钻杆下部装有导向圈，导向圈固定在桩架立柱上，钻杆是一根焊有螺旋叶片的钢管，长螺杆的钻杆多分段制作。10.4 桩工机械桩工机械 55 钻孔时，孔底的土片沿着钻杆的螺旋叶片上升，把土卸于钻杆周围的土地上，或是通过出料斗卸在翻斗车等运输工具中运走。长螺旋钻孔机钻孔的孔径不大于1m，为适应不同地层的钻孔需要，配备有各种不同的钻头，适用于地下水位较低的黏土及砂土层施工。 国外的长螺旋钻孔机多用液压马达驱动，液压动力由履带桩架提供。液压马达自重轻，调速很方便。钻孔机常用中空形，在钻孔机中有上下贯通的垂直孔，可以在钻孔完成后由孔中直接从上面浇灌混凝土，一边浇灌一边缓慢地提升钻杆，这样有利于孔壁稳定，减少孔的坍塌，提高灌注桩的质量。10.4 桩工机械桩工机械